基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（九）：Seek 策略

系列文章目录

1. 基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（一）：FFMPEG + Conan 环境集成
2. 基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（二）：基础知识和解封装（demux）
3. 基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（三）：视频解码
4. 基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（四）：像素格式与格式转换
5. 基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（五）：使用 SDL 播放视频
6. 基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（六）：使用 SDL 播放音频和视频
7. 基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（七）：使用多线程解码视频和音频
8. 基于 FFmpeg 的跨平台视频播放器简明教程（八）：音画同步

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前言

经过前面八章的学习与代码实现，我们的播放器已经能够正常播放视频了，接下来我们将加入最常用的 seek 能力，让你能够快进/快退。

本文参考文章来自 An ffmpeg and SDL Tutorial -Tutorial 07: Seeking。这个系列对新手较为友好，但 2015 后就不再更新了，以至于文章中的 ffmpeg api 已经被弃用了。幸运的是，有人对该教程的代码进行重写，使用了较新的 api，你可以在 rambodrahmani/ffmpeg-video-player 找到这些代码。

本文的代码在 ffmpeg_video_player_tutorial-my_tutorial07.cpp 和 ffmpeg_video_player_tutorial-my_tutorial07_01_accurate_seek.cpp。

FFmpeg API 中的 Seek 方法

我们想做的事情很简单：当用户按下左右键时，播放进度快进 5s 或者回退 5s。例如当前播放进度为 1s，当按下右键时，期望播放进度能够跳跃到 6s。

FFmpeg 提供了 seek 的接口，但它没法精确的跳跃到我们期望的位置，它有一些限制。关于精准 seek 我们稍后会进行讨论，目前让我们将目光关注到 FFmpeg 提供的 seek api 上。

avformat_seek_file

FFmpeg 提供了 avformat_seek_file 进行 seek，函数原型：

int avformat_seek_file(AVFormatContext *s, int stream_index, int64_t min_ts, int64_t ts, int64_t max_ts, int flags);

函数的参数和返回值说明如下：

• AVFormatContext *s: 媒体文件句柄。它是函数的主要输入，指向处理的媒体文件的上下文。
• int stream_index: 用作时间基准参考的流的索引。如果流索引为-1，则所有的时间戳都以AV_TIME_BASE单位处理。如果此标志包含AVSEEK_FLAG_FRAME，则流索引中的所有时间戳都以帧为单位。
• int64_t min_ts: 可接受的最小时间戳。此时间戳定义了ts可能到达的范围下限。
• int64_t ts: 目标时间戳。这是函数尝试寻找并尽可能接近的时间戳。
• int64_t max_ts: 可接受的最大时间戳。这个时间戳定义了ts可能到达的范围上限。
• int flags: 表示寻址标志，包含 AVSEEK_FLAG_BYTE、AVSEEK_FLAG_FRAME、AVSEEK_FLAG_ANY、AVSEEK_FLAG_BACKWARD 四个选项，用于指定时间戳的单位、是否将非关键帧视为关键帧，等等。

首先明确一点，seek 到目标时间 ts 上，这个 ts 的时间单位是什么？在 avformat_seek_file 注释中对 ts 的时间单位做了说明，总结下来：

1. 如果“flags”包含 AVSEEK_FLAG_BYTE，那么所有时间戳都是以字节为单位的，它们代表的是文件位置（不过这种方式可能不会被所有的demuxers所支持）
2. 如果“flags”包含 AVSEEK_FLAG_FRAME，那么所有的时间戳都是以帧为单位的，这些帧在由stream_index 参数指定的那个流中（这种方式同样可能不会被所有的demuxers所支持）
3. 如果 stream_index 为 -1，则以 AV_TIME_BASE 为单位
4. 否则，所有时间戳都以选定的流单元中的时间基为单位表示

在我们的代码实现中并不会使用到 AVSEEK_FLAG_BYTE 或者 AVSEEK_FLAG_FRAME，因此忽略上面的 1、2 点。将 stream_index 设置为 -1 是一种常见的选择，使得 ts 时间单位为 AV_TIME_BASE（也就是 1us）。

注意到 avformat_seek_file 作用的对象是 AVFormatContext，这也就说它影响的是解封装的结果：经过 seek 之后，av_read_frame 将读取到新位置的 AVPacket。

Seek 到关键帧

虽然在 “flags” 中包含 AVSEEK_FLAG_BYTE 或者 AVSEEK_FLAG_FRAME 使得可以 seek 到任意位置（帧）上，但在实际使用上这两个 flag 很少被使用。我们最常用的还是 flags = 0 或者 flags = AVSEEK_FLAG_BACKWARD，这种情况下 avformat_seek_file 将会跳转至符合要求的关键帧（I帧）位置上。

在跳转时，如果指定了 AVSEEK_FLAG_BACKWARD 标志，则会优先跳转到前一个关键帧，否则会优先跳转到后一个关键帧。如果没有关键帧，则会跳转到最接近的非关键帧。但是，跳转到非关键帧可能会导致解码器出现错误或画面不完整的情况，因此在实际应用中，一般会尽量跳转到关键帧。

由于avformat_seek_file的特性，它会跳转到最接近指定时间戳的关键帧，因此在实际应用中，你可能会发现跳转的位置并不完全符合预期。例如，如果当前播放位置在1秒，你希望快进到6秒，但是在执行avformat_seek_file后，播放位置可能会跳转到8秒。这是因为在8秒处有一个关键帧，而在预期的6秒处没有关键帧。所以，avformat_seek_file会选择最近的关键帧进行跳转。「精准 seek」中将说明如何处理这种情况，此处不表。

GOP

两个关键帧的距离，有一个专业的名词来描述，即 GOP。GOP，全称为Group of Pictures，中文译为“图像组”，是视频编码中的一个重要概念。

在视频编码中，为了提高压缩效率，通常会采用帧间预测的方式，即利用前后帧之间的相关性，只编码和前后帧的差异部分。这样可以大大减少需要编码的数据量，从而提高压缩效率。而GOP就是帧间预测的基本单位。

一个GOP由一个I帧开始，后面跟随若干个P帧和B帧。I帧是关键帧，可以独立解码，而P帧和B帧则需要依赖其他帧进行解码。GOP的长度，即一个GOP中包含的帧数，是可以调整的，它直接影响到视频的压缩效率和错误恢复能力。GOP长度越短，错误恢复能力越强，但压缩效率较低；反之，GOP长度越长，压缩效率越高，但错误恢复能力较弱。

此外 GOP 还与视频画面质量有关，详细说明请参考：

• Back to basics: GOPs explained
• 关于GOP和帧率、码率的关系

Show me the Code

讲解往 ffmpeg 中关于 seek 的 api 后，现在来说明如何在代码中实现 seek 的逻辑。大体步骤为：

1. 通过键盘发出 seek 命令，例如按下左右键等
2. Demux 线程收到 seek 的请求后，调用 avformat_seek_file 进行 seek 操作；Demux 完成 seek 后，还需要通知视频/音频解码线程发生了 seek 操作
3. 解码线程收到 seek 通知后，清理解码器上下文中的缓存信息

接下来对上述步骤做详细的说明

发出 seek 命令

void onEvent(const SDL_Event &event) {
    switch (event.type) {
    case SDL_KEYDOWN: {
      switch (event.key.keysym.sym) {
      case SDLK_LEFT: {
        play_ctx->doSeekRelative(-5.0);break;
      }
      case SDLK_RIGHT: {
        play_ctx->doSeekRelative(5.0);break;
      }
      case SDLK_DOWN: {
        play_ctx->doSeekRelative(-60.0);break;
      }
      case SDLK_UP: {
        play_ctx->doSeekRelative(60.0);break;
      }
      }
      break;
    }
	// ....

SDL 支持键盘事件，当我们按了某些按键时，通过 SDL_Event 中的信息来判断所按的键是哪个。在上述代码中，支持左右上下键来快进和快退。

void doSeekRelative(double incr) {
    if (!seek_req) {
      std::lock_guard lg(seek_mut);
      auto pos = getAudioClock();
      pos += incr;
      if (pos < 0) {
        pos = 0;
      }

      seek_rel = (int64_t)(incr * AV_TIME_BASE);
      seek_pos = (int64_t)(pos * AV_TIME_BASE);
      seek_flags = (incr < 0) ? AVSEEK_FLAG_BACKWARD : 0;
      seek_req = true;
    }
  }

doSeekRelative函数中：

• getAudioClock 获取当前的音频时钟，即播放到第几秒了。
• pos += incr; 计算快进快退的目标位置
• 接着计算 seek_rel 和 seek_pos，这里将时间单位转换到 AV_TIME_BASE 是为了后面处理更方面；seek_flags 如果是快退的话设置为 AVSEEK_FLAG_BACKWARD
• 最后设置 seek_req = true 等待 demux 线程消费

Demux 线程进行 seek 操作

if (ctx.seek_req) {
  // seek stuff goes here
  int64_t seek_pos = 0;
  int64_t seek_rel = 0;
  int seek_flags = 0;
  {
    std::lock_guard lg(ctx.seek_mut);
    seek_pos = ctx.seek_pos;
    seek_rel = ctx.seek_rel;
    seek_flags = ctx.seek_flags;
  }
  auto min_ts = (seek_rel > 0) ? (seek_pos - seek_rel + 2) : (INT64_MIN);
  auto max_ts = (seek_rel < 0) ? (seek_pos - seek_rel - 2) : (INT64_MAX);
  ret = avformat_seek_file(ctx.decode_ctx->demuxer.getFormatContext(), -1,
                           min_ts, seek_pos, max_ts, seek_flags);
  if (ret < 0) {
    fprintf(stderr, "%s: error while seeking %s\n",
            decode_ctx.demuxer.getFormatContext()->url, av_err2str(ret));
  } else {
    if (ctx.decode_ctx->video_stream_index >= 0) {
      decode_ctx.video_packet_sync_que.clear();
      decode_ctx.video_packet_sync_que.tryPush(&flush_packet);
    }
    if (ctx.decode_ctx->audio_stream_index >= 0) {
      decode_ctx.audio_packet_sync_que.clear();
      decode_ctx.audio_packet_sync_que.tryPush(&flush_packet);
    }
  }
  ctx.setClock(ctx.audio_clock_t, seek_pos / (double)AV_TIME_BASE);
  ctx.seek_req = false;
}

上述代码在 demux 线程中，它展示了处理 seek 命令的逻辑操作。

• 在收到 seek 请求后，将 seek_pos、seek_rel 和 seek_flags 保存起来（为了线程安全）
• 接着调用 avformat_seek_file 接口，至于 min_ts 和 max_ts 为啥这样算？是直接抄的 ffplay 中代码（哈哈哈哈）。注意 avformat_seek_file 第二个参数是 -1，这也意味着所有输入的时间戳单位是 AV_TIME_BASE 为单位的。
• 接着，清空视频和音频的 packet queue，并向它们都发送了一个 flush packet，通过这个 flush packet 去通知解码线程发生了 seek 操作。

解码线程进行 seek 操作

// seek stuff here
if (std::strcmp((char *)pkt->data, FLUSH_DATA) == 0) {
  avcodec_flush_buffers(codec.getCodecContext());
  out_frame_queue.clear();
  return 0;
}

在解码线程中，要做的事情非常简单：

1. 判断当前 packet 是否是 flush packet
2. 如果是，那么调用 avcodec_flush_buffers 清理解码器上下文缓存，且清空 out_frame_queue 里的数据

精准 Seek

回到之前的那个问题：avformat_seek_file 只能跳转到关键帧，在实际应用中，你可能会发现跳转的位置并不完全符合预期。例如，如果当前播放位置在1秒，你希望快进到6秒，但是在执行avformat_seek_file后，播放位置可能会跳转到8秒。这是因为在8秒处有一个关键帧，而在预期的6秒处没有关键帧。

如何解决这个问题？要做两件事情：

1. 调用 avformat_seek_file 时，确保跳转到目标位置（target position）的前面的关键帧。例如 target_pos = 2s 时，跳转到关键帧应该满足 pos <= 2s。调用 avformat_seek_file 时，将 flag 设置为 AVSEEK_FLAG_BACKWARD 即可，如果没有设置这个标志，那么找到的关键帧可能会超过目标时间戳。
2. 从关键帧开始解码，直到当前位置（current position）大于目标位置。满足该条件后，意味着我们 seek 到了目标位置，可以进行该视频帧的播放。

接下来让我们看具体实现的代码 ffmpeg_video_player_tutorial-my_tutorial07_01_accurate_seek.cpp

Show Me The Code

使用 SDL 处理键盘事件的代码与之前是一样的，此处不再赘述。直接看 demux 线程与解码线程的修改。

Demux Thread:

if (ctx.seek_req) {
  // seek stuff goes here
  int64_t seek_pos = 0;
  int64_t seek_rel = 0;
  int seek_flags = 0;
  {
    std::lock_guard lg(ctx.seek_mut);
    seek_pos = ctx.seek_pos;
    seek_rel = ctx.seek_rel;
    seek_flags = ctx.seek_flags;
    seek_flags = AVSEEK_FLAG_BACKWARD;
  }
  auto min_ts = (seek_rel > 0) ? (seek_pos - seek_rel + 2) : (INT64_MIN);
  auto max_ts = (seek_rel < 0) ? (seek_pos - seek_rel - 2) : (seek_pos);
  ret = avformat_seek_file(ctx.decode_ctx->demuxer.getFormatContext(), -1,
                           min_ts, seek_pos, max_ts, seek_flags);
  if (ret < 0) {
    fprintf(stderr, "%s: error while seeking %s\n",
            decode_ctx.demuxer.getFormatContext()->url, av_err2str(ret));
  } else {
    seek_packet.pos = seek_pos;
    // ...
}

Demux 线程代码与之前有两个差异点：

1. seek_flags 被设置为 AVSEEK_FLAG_BACKWARD
2. 设置 seek_packet 的 pos 为目标位置，告诉解码线程目标位置的值

Decode Thread:

// seek stuff here
if (pkt->stream_index == FF_SEEK_PACKET_INDEX) {
 avcodec_flush_buffers(codec.getCodecContext());
 out_frame_queue.clear();
 seeking_flag = true;
 target_seek_pos_avtimebase = pkt->pos;
 return 0;
}

解码线程收到 seek packet 后，首先做了两件事情：

1. 清理缓存。调用 avcodec_flush_buffers 清理解码器上下文缓存；清理 out_frame_queue 中的缓存帧
2. 保存 seek 信息，以便后续的循环解码

while (ret >= 0) {
  ret = codec.receiveFrame(out_frame);
  ON_SCOPE_EXIT([&out_frame] { av_frame_unref(out_frame); });
  // need more packet
  if (ret == AVERROR(EAGAIN)) {
    break;
  } else if (ret == AVERROR_EOF || ret == AVERROR(EINVAL)) {
    // EOF exit loop
    break;
  } else if (ret < 0) {
    printf("Error while decoding.\n");
    return -1;
  }
  if (seeking_flag) {
    auto cur_frame_pts_avtimebase =
        av_rescale_q(out_frame->pts, stream_time_base, AV_TIME_BASE_Q);
    if (cur_frame_pts_avtimebase < target_seek_pos_avtimebase) {
      break;
    } else {
      seeking_flag = false;
    }
  }
  out_frame_queue.waitAndPush(out_frame);
}

在原有的解码逻辑中，我们加入了对 seek 的判断：

1. 如果命中 seeking_flag，判断当前解码帧的 pts 是否小于目标位置。如果是，以为还没有解码到目标帧，继续解码；如果否，那么当前帧已经满足目标位置。
2. 满足条件后，将 seeking_flag 设置为 false，将解码的视频帧放入 queue 中，让 sdl 去播放。

Seek 性能优化

实现精准 seek 后，可以发现在某些情况下需要解码很多很多帧，才能到达 seek 的目标位置。举个例子，假设 GOP=100，目标位置在 GOP 的最后一帧，调用 avformat_seek_file 后，seek 到了当前 GOP 的第一帧，于是需要解码 100 帧。有啥优化的办法吗？这里大致描述下，具体代码留给各位自行实现了。

解码前丢弃非参考帧。

AVPacket 的 flags 标志位中可以知道当前的 packet 是否可以被解码器丢弃。以下是对上述标志位的解释：

• AV_PKT_FLAG_KEY：这个标志表示该数据包包含一个关键帧。在视频编码中，关键帧是完整的帧，可以独立于其他帧进行解码。
• AV_PKT_FLAG_CORRUPT：这个标志表示该数据包的内容已经损坏。这可能是由于数据传输错误或者编码错误导致的。
• AV_PKT_FLAG_DISCARD：这个标志表示这个数据包在解码后可以被丢弃。这些数据包对于维持解码器的状态是必要的，但是对于输出来说并不需要。
• AV_PKT_FLAG_TRUSTED：这个标志表示这个数据包来自一个可信的源。这意味着即使数据包中包含一些不安全的结构，如指向数据包外部数据的任意指针，也可以被接受。
• AV_PKT_FLAG_DISPOSABLE：这个标志表示这个数据包包含的帧可以被解码器丢弃，也就是说这些帧不是参考帧。在视频编码中，参考帧是其他帧在预测编码时需要参考的帧，而非参考帧则不需要被其他帧参考。

或者使用 AVDiscard 来丢弃某些帧，具体参考 百倍变速–解码到底能不能丢 非参考帧 ？FFmpeg 有话说！！！

GOP 内向后 seek 逻辑优化

如果 seek 的目标位置与当前位置属于同一个 GOP，且为向后 seek，那么可以优化现有 seek 逻辑，无需做其他操作只需等待解码器解码到目标位置即可。

总结

本文介绍了播放器中如何实现快进、快退功能，并给出了具体的实现代码，还讨论了如何实现精准 seek 逻辑，并在最后给出了一些优化的思路。本文的代码在 ffmpeg_video_player_tutorial-my_tutorial07.cpp 和 ffmpeg_video_player_tutorial-my_tutorial07_01_accurate_seek.cpp。

参考

• An ffmpeg and SDL Tutorial -Tutorial 07: Seeking
• ffmpeg_video_player_tutorial-my_tutorial07.cpp
• ffmpeg_video_player_tutorial-my_tutorial07_01_accurate_seek.cpp。
• Back to basics: GOPs explained
• 关于GOP和帧率、码率的关系
• 百倍变速–解码到底能不能丢 非参考帧 ？FFmpeg 有话说！！！